榖歌量子 AI 團隊（Google Quantum AI）已經在量子計算領域取得一些成績 比如 榖歌采用新型量子經典混閤算法，實現迄今最大16量子位化學計算 - 趣味新聞網

榖歌量子 AI 團隊（Google Quantum AI）已經在量子計算領域取得一些成績，比如，成功在量子處理器上實驗模擬瞭高溫超導、納米綫、時間晶體等的簡單模型，還開發瞭適用於構建糾錯量子計算機的算法。

現在，榖歌又采用一種新的混閤量子算法，執行瞭迄今為止最大的化學量子計算。

當地時間 3 月 16 日，榖歌與哥倫比亞大學的李俊昊（Joonho Lee）、大衛・雷奇曼（David Reichmann）等人閤作，在Nature發錶瞭一篇名為《無偏的費米子量子濛特卡羅與量子計算機》（Unbiasing Fermionic Quantum Monte Carlo with a Quantum Computer）的論文[1]。

榖歌提到，目前，對於化學方麵的研究，使用經典算法仍然比如今可用的量子處理器更有效。但是，當量子力學定律轉化為經典計算機可以運行的程序時，計算所需的時間或內存量與要模擬的物理係統的大小非常不符。

圖 | 榖歌 Sycamore 量子處理器（來源：榖歌）

因此，榖歌提齣並實驗驗證瞭一種結閤經典計算和量子計算的新方法來研究化學。即榖歌使用量子處理器來指導在經典協處理器上執行的量子濛特卡羅（Quantum Monte Carlo，QMC）計算。

為瞭評估這種量子經典混閤方法的性能，榖歌使用 16 個量子位（目前最大的化學量子計算）來計算鑽石晶體中兩個碳原子的能量。此次實驗，不僅比榖歌之前在 Sycamore 量子處理器上的化學計算要大 4 個量子位，還能夠使用更全麵的物理描述，並充分結閤電子之間的相互作用。

榖歌還通過在具有多達 120 個軌道的化學係統上，執行無偏約束量子濛特卡羅計算來試驗其方案。雖然沒有對狀態進行完整的描述，但榖歌設計瞭一組規則來生成大量過度簡化的狀態描述（如每個電子可能在空間中的位置列錶），其平均值是真實基態的良好近似值。

即使隻是在經典計算機上存儲量子態的較好描述也可能花費巨大，計算量子態則代價更為昂貴。本次在量子計算機幫助下進行的化學模擬實驗錶明，榖歌實現瞭與最先進的經典方法相媲美的精度，並且不會造成繁瑣的錯誤偏差。

“我們的齣發點是使用一係列濛特卡羅技術，例如，投影儀濛特卡羅，來描述量子力學係統的最低能量狀態（如鑽石晶體中的兩個碳原子）。”榖歌說道。

據瞭解，投影儀濛特卡羅方法中的“投影儀”（Projector）指的是榖歌設計規則的方式，其通過不斷嘗試使用稱為“投影”（Projection）的數學過程過濾掉不正確的答案，類似於“輪廓”（Silhouette）是三維物體投射到二維錶麵上的方式。

然而，這裏還有一個問題。當涉及到化學或材料科學時，該方法不足以單獨找到基態。

電子屬於一類被稱為費米子（Fermions）的粒子。當兩個相同的費米子交換位置時，量子力學波函數（關於費米子一切信息的數學描述）“拾取”一個減號。這個減號産生瞭著名的泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle），即兩個費米子不能占據同一狀態。而這可能會導緻投影儀濛特卡羅計算變得低效，甚至完全崩潰。

圖 | 在某些情況下費米子符號問題是如何齣現示例和嘗試修復符號問題時可能看到的改進示例（來源：榖歌）

費米子符號問題的解決方案通常涉及調整濛特卡羅算法，以包括一些從近似到基態的信息。

對化學鍵的斷裂進行建模等極具挑戰性的問題，在經典計算機上使用足夠準確的初始猜測的計算成本可能令人無法承受。而榖歌之前的實驗已經證明，可以使用量子計算機來近似量子係統的基態。

在早期的實驗中，榖歌主要測量與物理性質（如化學反應的速率）直接相關的量（如狀態的能量）。

此次，在使用新的混閤算法後，榖歌進行瞭一種非常不同的測量：對經典計算機上濛特卡羅算法産生的狀態與量子計算機上準備的狀態間的差距進行量化。

“另外，通過使用一些最近開發的技術，我們甚至能夠在運行濛特卡羅算法之前在量子計算機上進行所有測量，將量子計算機的工作與經典計算機的工作分開。這種分工幫助我們充分利用瞭這兩種資源。”榖歌說道。

圖 | 榖歌的計算圖（來源：榖歌）

上圖右側的綠色十字錶示用於最大實驗的量子位。左側箭頭方嚮錶明量子處理器不需要來自經典計算的反饋；紅色條形錶示經典計算中由量子計算機數據過濾掉的部分，以避免費米子符號問題，並獲得對基態能量等性質的良好估計。

據瞭解，榖歌在量子設備上花費幾個小時後，提取瞭在經典計算機上運行濛特卡羅算法所需的所有數據。盡管數據是“嘈雜”的，就像現在所有的量子計算一樣，但它有足夠的信號，能夠引導經典計算機非常準確地重建真正的基態，如下圖所示。

（來源：榖歌）

上圖左上角顯示瞭榖歌用於最大實驗的 16 個量子位。左下角則是鑽石晶體中的碳原子，榖歌的計算集中在兩個原子（半透明黃色）上。右側部分顯示瞭當調整晶格常數（Lattice Constant，兩個碳原子的間距）時總能量的誤差（接近零更好）是如何變化的。

與常用的變分量子特徵值求解器（Variational Quantum Eigensolver，VQE）相比，榖歌的混閤量子經典計算模型為實現電子結構問題的實際量子優勢提供瞭另一條途徑，不需對基態波函數進行極其精確的準備和測量。

“雖然我們尚未實現相對於現有經典算法的實際量子優勢，但我們對這個新研究方嚮的前景持樂觀態度，”榖歌說，“並很高興可以使用這些計算擴展經典計算能做什麼的邊界。”

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